轉速開環恒壓頻比異步電動機調速系統仿真
- 一、理論基礎知識
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- 1. 恒壓頻比控制
- 2. 正弦波脈寬調制（==SPWM==）技術
- 二、Simulink仿真
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- 1. 仿真模型
- 2. 仿真結果
一、理論基礎知識
1. 恒壓頻比控制
異步電動機運作時，如果磁通太弱，沒有充分利用電動機鐵心，是一種浪費；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，進而導緻過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組過熱而損壞電動機。是以最好保持每極磁通量 Φ m Φ_m Φm為額定值 Φ m N Φ_{mN} ΦmN不變
E g = 4.44 f 1 N s K N s Φ m E_g=4.44f_1N_sK_{Ns}Φ_m Eg=4.44f1NsKNsΦm
U s ≈ E g = 4.44 f 1 N s K N s Φ m U_s\approx E_g=4.44f_1N_sK_{Ns}Φ_m Us≈Eg=4.44f1NsKNsΦm
隻要控制好 E g E_g Eg和 f 1 f_1 f1，便可達到控制氣隙磁通的目的。
①基頻以下調速
采用電動勢頻率比為恒值得控制方式
E g f 1 = 4.44 N s K N s Φ m = 常 值 \frac{E_g}{f_1}=4.44N_sK_{Ns}Φ_m=常值 f1Eg=4.44NsKNsΦm=常值
但是 E g E_g Eg難以檢測控制。電動勢較高時，忽略定子電阻和漏感壓降，可認為 U s ≈ E g U_s\approx E_g Us≈Eg
是以
U s f 1 = 常 值 \frac{U_s}{f_1}=常值 f1Us=常值
低頻時， U s U_s Us和 E g E_g Eg都比較小，不能再忽略定子電阻和漏感壓降，可以把us提高一些，進行低頻補償。
②基頻以上調速
頻率到達發 f 1 N f_{1N} f1N之後，受電動機絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓 U s U_s Us不能随之升高，最多保持 U g N U_{gN} UgN不變，這将導緻磁通與頻率成反比降低，使異步電動機工作在弱磁狀态。
是以，
基頻以下，磁通恒定，輸出轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”
基頻以上，轉速升高磁通減小，允許輸出轉矩降低，輸出功率基本不變，屬于“近似恒功率調速”
機械特性
基頻以下， U s w 1 \frac{U_s}{w_1} w1Us恒定， ∆ n ∝ T e ∆n\propto Te ∆n∝Te，對于同一轉矩， ∆ n ∆n ∆n基本不變，機械特性平行下移。轉差功率與轉速無關，稱作轉差功率不變型調速。
基頻以上，w1升高而電壓不變——同步轉速升高，臨界轉矩降低，輸出功率基本不變，稱作弱磁恒功率調速。（轉差功率也不變）
除此還有恒定子磁通、恒氣隙磁通、恒轉子磁通。參考運動控制系統P126
2. 正弦波脈寬調制（SPWM）技術
以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波為調制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角形波為作為載波，調制波與載波相交時，由它們的交點确定逆變器開關器件的通斷時刻，進而獲得幅值相等，寬度按正弦規律變化的脈沖序列，這樣的調制方法稱作正弦波脈寬調制。
a）三相正弦調制波和三角載波 b）、c）、d）：相電壓Ua、Ub、Uc
e）輸出線電壓Uab f）電動機相電壓Uao
二、Simulink仿真
異步電機選擇Asynchronous Machine SI Units（SI表示标準機關）
Simulink異步電機參數設定
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Configuration
a) Rotor type分為繞線型、單鼠籠和雙鼠籠。此處選擇單鼠籠。
b) Preset model選擇5.4HP(4KW) 400V 50Hz 1430RPM，即功率4KW，額定電壓400V,頻率50Hz，額定轉速1430RPM。該處選擇後Parameter資料不能再進行配置。
c) Mechanical input分為Torque Tm，speed w（忽略機械部分，多用于兩台電機耦合）和mechanical rotational port。此處選擇Torque Tm。
d) Reference frame分為Rotor，Stationary和Synchronous。Clarke&Park變換的參考坐标，選擇預設Rotor。
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Parameter配置
① 标稱功率（VA）、線電壓（V）、頻率（Hz）。預設[4000 400 50]。
② 定子電阻（ohm）和電感（H）。預設[1.405 0.005839]。
③ 轉子電阻（ohm）和電感（H）。預設[1.395 0.005839]。
④ 勵磁電感Lm（H）。預設0.1722。
⑤ 轉動慣量J、摩擦系數法F、極對數p。預設[0.0131 0.002985 2]。
⑥ 初始條件設定，包括slip, th(deg), ia,ib,ic(A), pha,phb,phc(deg)。設為[1 0 0 0 0 0 0 0]，初始轉差率為1。
⑦ Simulate saturation：模拟定子轉子磁飽和
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Advanced配置
① 采樣時間，Powergui中采樣時間（-1預設值）
② Discrete solver model：離散求解器模型
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Load Flow配置
Mechanical power：Powergui使用。預設1.492e+006
1. 仿真模型
異步電機開環恒壓頻比控制圖
上圖為恒壓頻比控制部分，輸入頻率為50Hz，經過GI、取整、V-F、fcn等子產品後送至PWM發生器控制整流橋。
•GI:控制頻率上升的速率，設定電動機啟動時間，相當于軟起動作用
•取整：使頻率為整數（round函數）
•V-F：恒壓頻比，并設定低壓補償
•fcn：得到三相調制信号
2. 仿真結果
輸入頻率為50Hz時，5s時逐漸穩定，轉速約為1480RPM
輸入頻率為40Hz時，4s時逐漸穩定，轉速約為1190RPM
輸入頻率為30Hz時，3s時逐漸穩定，轉速約為893RPM
輸入頻率為20Hz時，2s時逐漸穩定，轉速約為597RPM
50Hz轉速波形
40Hz轉速波形
30Hz轉速波形
20Hz轉速波形
在頻率升高/轉速增加時間，轉速會因頻率的變化而産生波動，在頻率不再變化時，轉速保持穩定。
起動時間轉速波動原因：頻率的變化不一定是在調制信号的一個完整周期的結束時刻，若頻率發生變化是在調制正弦信号一周期内，調制信号下一周期的波長發生伸長或縮短。這也正是調制信号波形出現異常的時刻。這種現象的出現直接導緻的結果是SPWM調制和驅動子產品接收到畸形的調制信号導緻輸出的三相調制信号也出現畸變。變化的頻率引起有瑕疵的電壓，導緻電機在啟動過程中轉速發生波動，這種波動隻要頻率在變化就不能完全被消除。
三相調制信号
仿真連結：vvvf
參考
1《電力拖動自動控制系統——運動控制系統》
2《電力電子、電機控制系統模組化和仿真》